Energijos konvertavimas – elektrinis, terminis, mechaninis, šviesos
Energijos sąvoka vartojama visuose moksluose. Taip pat žinoma, kad energetiniai kūnai gali dirbti. Energijos tvermės dėsnis teigia, kad energija neišnyksta ir negali būti sukurta iš nieko, o atsiranda įvairiais pavidalais (pavyzdžiui, šiluminės, mechaninės, šviesos, elektros energijos ir kt. pavidalu).
Viena energijos forma gali pereiti į kitą ir tuo pačiu stebimi tikslūs skirtingų energijos rūšių kiekybiniai santykiai. Paprastai tariant, perėjimas iš vienos energijos formos į kitą niekada nebūna baigtas, nes visada yra kitų (dažniausiai nepageidaujamų) energijos rūšių. Pavyzdžiui, elektros variklyje ne visa elektros energija virsta mechanine energija, bet dalis jos virsta šilumine (laidų įkaitimas srovėmis, kaitinimas veikiant trinties jėgoms).
Nevisiško vienos rūšies energijos perėjimo prie kitos faktas apibūdina naudingumo koeficientą (efektyvumą).Šis koeficientas apibrėžiamas kaip naudingosios energijos santykis su visu jos kiekiu arba kaip naudingosios galios ir bendros galios santykis.
Elektros energija Jo pranašumas yra tai, kad jį galima palyginti lengvai ir su mažais nuostoliais perduoti dideliais atstumais, be to, jis turi labai platų pritaikymo spektrą. Elektros energijos paskirstymą gana lengva valdyti, jį galima kaupti ir kaupti žinomais kiekiais.
Per darbo dieną žmogus vidutiniškai sunaudoja 1000 kJ arba 0,3 kW energijos. Žmogui reikia apie 8000 kJ maisto pavidalu ir 8000 kJ namų, gamybinių patalpų šildymui, maisto ruošimui ir kt. kcal, arba 60 kWh
Elektros ir mechaninė energija
Elektros energija elektros varikliuose paverčiama mechanine energija ir mažesniu mastu elektromagnetuose… Abiem atvejais susijęs poveikis su elektromagnetiniu lauku… Energijos nuostoliai, tai yra ta energijos dalis, kuri nepavirsta norima forma, daugiausia susideda iš energijos sąnaudų laidams šildyti dėl srovės ir trinties nuostolių.
Didelių elektros variklių efektyvumas viršija 90%, o mažų elektros variklių efektyvumas yra šiek tiek mažesnis už šį lygį. Jei, pavyzdžiui, elektros variklio galia yra 15 kW, o efektyvumas lygus 90%, tai jo mechaninė (naudingoji) galia yra 13,5 kW. Jei elektros variklio mechaninė galia turėtų būti lygi 15 kW, tai esant tokiai pat naudingumo vertei suvartojama elektros galia yra 16,67 kWh.
Elektros energijos pavertimo mechanine energija procesas yra grįžtamasis, t. y. mechaninė energija gali būti paversta elektros energija (žr. Energijos konversijos procesas elektros mašinose). Šiuo tikslu jie daugiausia naudojami generatoriaikurie savo konstrukcija yra panašūs į elektros variklius ir gali būti varomi garo turbinomis arba hidraulinėmis turbinomis. Šie generatoriai taip pat turi energijos nuostolių.
Elektros ir šilumos energija
Jei laidas teka elektros, tada judėdami elektronai susiduria su laidininko medžiagos atomais ir sukelia jų intensyvesnį šiluminį judėjimą. Tokiu atveju elektronai praranda dalį savo energijos. Dėl susidariusios šiluminės energijos, viena vertus, pakyla, pavyzdžiui, elektros mašinų apvijų dalių ir laidų temperatūra, kita vertus, pakyla aplinkos temperatūra. Reikia skirti naudingąją šilumos energiją ir šilumos nuostolius.
Elektriniuose šildymo įrenginiuose (elektriniuose katiluose, lygintuvuose, šildymo krosnyse ir kt.) patartina stengtis, kad elektros energija būtų kuo pilnesnė paversta šilumine energija. Taip nėra, pavyzdžiui, elektros linijų ar elektros variklių atveju, kai generuojama šilumos energija yra nepageidaujamas šalutinis poveikis, todėl dažnai ją reikia pašalinti.
Dėl vėlesnio kūno temperatūros padidėjimo šiluminė energija perduodama aplinkai. Šilumos energijos perdavimo procesas vyksta formoje šilumos laidumas, konvekcija ir šilumos spinduliavimas… Daugeliu atvejų labai sunku tiksliai kiekybiškai įvertinti bendrą išleidžiamos šilumos energijos kiekį.
Jei kūnas turi būti šildomas, jo galutinės temperatūros vertė turi būti žymiai didesnė už reikalaujamą šildymo temperatūrą. Tai būtina siekiant kuo mažiau šilumos energijos perduoti į aplinką.
Jei, priešingai, kūno temperatūros šildymas yra nepageidautinas, tada galutinės sistemos temperatūros vertė turėtų būti maža. Tam sukuriamos sąlygos, palengvinančios šilumos energijos pašalinimą iš organizmo (didelis kūno kontakto su aplinka paviršius, priverstinė ventiliacija).
Elektros laiduose atsirandanti šiluminė energija riboja tuose laiduose leidžiamos srovės kiekį. Didžiausia leistina laidininko temperatūra nustatoma pagal jo izoliacijos šiluminę varžą. Kodėl, siekiant užtikrinti kai kurių konkrečių perdavimą elektrinė jėga, turėtumėte pasirinkti mažiausią įmanomą srovės vertę ir atitinkamai aukštos įtampos vertę. Tokiomis sąlygomis vielos medžiagos kaina sumažės. Taigi ekonomiškai įmanoma perduoti didelės galios elektros energiją esant aukštai įtampai.
Šiluminės energijos pavertimas elektros energija
Šiluminė energija tiesiogiai paverčiama elektros energija vadinamojoje termoelektriniai keitikliai… Termoelektrinio keitiklio termopora susideda iš dviejų metalinių laidininkų, pagamintų iš skirtingų medžiagų (pvz., vario ir konstantano), viename gale sulituotų.
Esant tam tikram temperatūrų skirtumui tarp jungties taško ir kitų dviejų dviejų laidų galų, EMF, kuris pirmuoju aproksimavimu yra tiesiogiai proporcingas šiam temperatūros skirtumui. Šis termo-EMF, lygus keliems milivoltams, gali būti registruojamas naudojant labai jautrius voltmetrus. Jei voltmetras kalibruotas Celsijaus laipsniais, tada kartu su termoelektriniu keitikliu gautas prietaisas gali būti naudojamas tiesioginiam temperatūros matavimui.
Konvertavimo galia yra maža, todėl tokie keitikliai praktiškai nenaudojami kaip elektros energijos šaltiniai. Priklausomai nuo medžiagų, naudojamų termoporai gaminti, ji veikia skirtinguose temperatūrų diapazonuose. Palyginimui galima nurodyti kai kurias skirtingų termoporų charakteristikas: vario konstanta termopora tinka iki 600 °C, EMF yra maždaug 4 mV esant 100 °C; Geležies pastovioji termopora tinka iki 800 °C, EMF yra maždaug 5 mV esant 100 °C.
Praktinio šiluminės energijos pavertimo elektros energija pavyzdys – Termoelektriniai generatoriai
Elektros ir šviesos energija
Kalbant apie fiziką, šviesa yra elektromagnetinė radiacija, kuri atitinka tam tikrą elektromagnetinių bangų spektro dalį ir kurią gali suvokti žmogaus akis. Elektromagnetinių bangų spektras taip pat apima radijo bangas, šilumą ir rentgeno spindulius. Žiūrėk - Pagrindiniai apšvietimo kiekiai ir jų santykiai
Šviesos spinduliuotę galima gauti naudojant elektros energiją dėl šiluminės spinduliuotės ir dujų išlydžio.Šiluminė (temperatūros) spinduliuotė atsiranda kaitinant kietus ar skystus kūnus, kurie kaitindami skleidžia skirtingo bangos ilgio elektromagnetines bangas. Šiluminės spinduliuotės intensyvumo pasiskirstymas priklauso nuo temperatūros.
Kylant temperatūrai, didžiausias spinduliuotės intensyvumas pereina į elektromagnetinius virpesius, kurių bangos ilgis yra trumpesnis. Esant maždaug 6500 K temperatūrai, didžiausias spinduliavimo intensyvumas atsiranda esant 0,55 μm bangos ilgiui, t.y. bangos ilgio, kuris atitinka didžiausią žmogaus akies jautrumą. Apšvietimo tikslais, žinoma, joks kietas kūnas negali būti įkaitintas iki tokios temperatūros.
Volframas atlaiko aukščiausią šildymo temperatūrą. Vakuuminiuose stikliniuose buteliuose jis gali būti kaitinamas iki 2100 ° C temperatūros, o esant aukštesnei temperatūrai jis pradeda garuoti. Garavimo procesą galima sulėtinti pridedant tam tikrų dujų (azoto, kriptono), todėl šildymo temperatūrą galima padidinti iki 3000 ° C.
Siekiant sumažinti kaitinamųjų lempų nuostolius dėl susidariusios konvekcijos, kaitinimo siūlas pagamintas vienos arba dvigubos spiralės pavidalu. Tačiau nepaisant šių priemonių kaitinamųjų lempų šviesos efektyvumas yra 20 lm / W, o tai dar gana toli nuo teoriškai pasiekiamo optimalumo. Šiluminės spinduliuotės šaltiniai turi labai mažą efektyvumą, nes su jais didžioji dalis elektros energijos paverčiama šilumos energija, o ne šviesa.
Dujų išlydžio šviesos šaltiniuose elektronai susiduria su dujų atomais ar molekulėmis ir taip sukelia tam tikro bangos ilgio elektromagnetines bangas. Elektromagnetinių bangų skleidimo procese dalyvauja visas dujų tūris ir apskritai tokios spinduliuotės spektro linijos ne visada yra matomos šviesos diapazone. Šiuo metu apšvietime plačiausiai naudojami LED šviesos šaltiniai. Žiūrėk - Šviesos šaltinių pasirinkimas pramoninėms patalpoms.
Šviesos energijos perėjimas į elektros energiją
Šviesos energiją galima paversti elektros energija, o šis perėjimas fiziniu požiūriu įmanomas dviem skirtingais būdais. Šis energijos konvertavimas gali būti fotoelektrinio efekto (fotoelektrinio efekto) rezultatas. Fotoelektriniam efektui realizuoti naudojami fototranzistoriai, fotodiodai ir fotorezistoriai.
Sąsajoje tarp kai kurių puslaidininkiai (germanis, silicis ir kt.) ir metalai, susidaro ribinė zona, kurioje dviejų besiliečiančių medžiagų atomai keičiasi elektronais. Kai šviesa patenka į ribinę zoną, sutrinka joje esanti elektros pusiausvyra, dėl to atsiranda EML, kuriam veikiant išorinėje uždaroje grandinėje atsiranda elektros srovė. EML, taigi ir srovės vertė, priklauso nuo krintančios šviesos srauto ir spinduliuotės bangos ilgio.
Kai kurios puslaidininkinės medžiagos naudojamos kaip fotorezistoriai.Dėl šviesos poveikio fotorezistoriui jame daugėja laisvųjų elektros krūvių nešėjų, todėl pasikeičia jo elektrinė varža.Jei į elektros grandinę įtrauksite fotorezistorių, tai šioje grandinėje priklausys srovė. ant fotorezistoriaus krintančios šviesos energijų .
Taip pat žiūrėkite - Saulės energijos pavertimo elektra procesas
Cheminė ir elektros energija
Vandeniniai rūgščių, bazių ir druskų tirpalai (elektrolitai) praleidžia didesnę ar mažesnę elektros srovę, dėl kurios medžiagų elektrinės disociacijos reiškinys… Dalis tirpių molekulių (šios dalies dydis lemia disociacijos laipsnį) tirpale yra jonų pavidalu.
Jei tirpale yra du elektrodai, kuriems taikomas potencialų skirtumas, tada jonai pradės judėti, teigiamai įkrauti jonai (katijonai) judės link katodo, o neigiamo krūvio jonai (anijonai) - link anodo.
Patekę į atitinkamą elektrodą, jonai įgyja trūkstamus elektronus arba, atvirkščiai, atsisako papildomų ir dėl to tampa elektriškai neutralūs. Ant elektrodų nusėdusios medžiagos masė yra tiesiogiai proporcinga perduotam krūviui (Faradėjaus dėsnis).
Ribinėje zonoje tarp elektrodo ir elektrolito metalų tirpimo elastingumas ir osmosinis slėgis priešinasi vienas kitam. (Osmosinis slėgis sukelia metalų jonų nusėdimą iš elektrolitų ant elektrodų. Vien šis cheminis procesas yra atsakingas už potencialų skirtumą).
Elektros energijos pavertimas chemine energija
Norint pasiekti, kad dėl jonų judėjimo ant elektrodų nusodintų medžiaga, reikia eikvoti elektros energiją. Šis procesas vadinamas elektrolize. Šis elektros energijos pavertimas chemine energija naudojamas elektrometalurgijoje, norint gauti chemiškai gryno pavidalo metalus (varią, aliuminį, cinką ir kt.).
Galvanizuojant aktyviai oksiduojantys metalai padengiami pasyviais metalais (auksavimas, chromavimas, nikeliavimas ir kt.). Elektroformuojant trimačiai atspaudai (klišės) daromi iš įvairių kūnų, o jei toks korpusas pagamintas iš nelaidžios medžiagos, prieš darant atspaudą jis turi būti padengtas elektrai laidžiu sluoksniu.
Cheminės energijos pavertimas elektros energija
Jei du elektrodai, pagaminti iš skirtingų metalų, nuleidžiami į elektrolitą, tarp jų atsiranda potencialų skirtumas dėl šių metalų tirpimo elastingumo skirtumo. Jei tarp elektrodų, esančių už elektrolito, prijungsite elektros energijos imtuvą, pavyzdžiui, rezistorių, susidariusioje elektros grandinėje tekės srovė. Štai kaip jie veikia galvaniniai elementai (pagrindiniai elementai).
Pirmąjį vario-cinko galvaninį elementą išrado Volta. Šiuose elementuose cheminė energija paverčiama elektros energija. Galvaninių elementų veikimui gali trukdyti poliarizacijos reiškinys, atsirandantis dėl medžiagos nusėdimo ant elektrodų.
Visų galvaninių elementų trūkumas yra tas, kad cheminė energija juose negrįžtamai paverčiama elektros energija, tai yra, galvaniniai elementai negali būti įkrauti. Jie neturi šio trūkumo akumuliatoriai.